生物技術應用在經(jīng)濟結(jié)構(gòu)以及資源環(huán)境上的作用研究

田謐+張尚美+于冷+趙子健

摘要：就我國目前的情況來看，農(nóng)業(yè)粗放發(fā)展的問題非常嚴重，一個可能的解決途徑是利用生物技術的研發(fā)與應用，從連續(xù)三年中央“一號文件”內(nèi)容來看，尤其提到了生物技術。目前來看，三大主糧中，玉米的供需矛盾尤為嚴重，生物技術應用可能成為解決的一個思路。文章利用DNDC模型測算了中國玉米新品種種植的增產(chǎn)效應，并將其作為技術沖擊引入了CGE模型，模擬了在全國推進玉米新品種種植的若干情景，以此評估這一技術應用對經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、資源節(jié)約以及環(huán)境保護帶來的影響。研究發(fā)現(xiàn)：（1）玉米新品種種植會產(chǎn)生積極的增產(chǎn)作用，增幅約為4.87%；（2）生物技術帶來的增產(chǎn)作用在經(jīng)濟運行中可以得到有效擴散，促進整體經(jīng)濟增長；（3）經(jīng)濟結(jié)構(gòu)變遷可以節(jié)約能源安全，有助于維護我國能源安全；（4）能源依賴度降低有力地減少了二氧化碳排放量，會對環(huán)境保護產(chǎn)生積極作用。

關鍵詞：生物技術應用；DNDC模型；可計算一般均衡模型

一、 引言

截止2015年底，我國糧食生產(chǎn)已經(jīng)連續(xù)十二年豐產(chǎn)，意義重大。我們僅使用了世界9%的耕地、6%的淡水，養(yǎng)育了20%的人口。為了保證充足的糧食供給，克服氣候、地少水缺等資源約束，對于不足世界一成的耕地面積，我國投入了全球近四成的化肥，單位農(nóng)藥使用量是世界平均的2.5倍，產(chǎn)生了嚴重的污染，阻礙農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，并對食品安全造成隱患。

早在1988年9月，鄧小平同志在《科學技術是第一生產(chǎn)力》中就指出：“將來農(nóng)業(yè)問題的出路，最終要由生物工程來解決，要靠尖端技術”，生物技術從那時起就開始作為國家技術革命的重要組成部分。高新技術育種一直是農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的核心，近三年的中央一號文件更是連續(xù)提及生物技術的發(fā)展戰(zhàn)略，國家的態(tài)度逐漸明確。2014年提出“加強以分子育種 為重點的基礎研究和生物技術開發(fā)”，到2015年開始使用“轉(zhuǎn)基因”字眼——“加強農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物技術研究、安全管理、科學普及”，至2016年進一步提出的“加強轉(zhuǎn)基因技術研發(fā)和監(jiān)管，在確保安全的基礎上慎重推廣”，逐步將生物技術的發(fā)展戰(zhàn)略從科研領域擴大到應用層面。

推廣和應用意味著新品種作物要實現(xiàn)種植，農(nóng)業(yè)部在4月13日的發(fā)布會上對此制定的路線是首先發(fā)展非食用經(jīng)濟作物，其次是飼料、加工原料作物，再次是一般食用作物，最后是口糧作物，走“非食用→間接食用→食用”路線。玉米可用于榨油、生產(chǎn)飼料以及玉米乙醇，是階段性產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要對象之一。農(nóng)業(yè)部同時積極推進科研立項，研究重點落在技術可行性的論證，而本文關注育種技術進步之后帶來的一系列經(jīng)濟和環(huán)境效應。

玉米作為第一大主糧，也是我國糧食連年增產(chǎn)的主力，播種面積和總產(chǎn)量僅次于美國。其用途十分廣泛，可從種子、原糧到畜牧飼料、工業(yè)原料和生物質(zhì)能源，在增加農(nóng)民收入、維護國家糧食安全等方面發(fā)揮著巨大作用。然而面對價格倒掛、進口增加、庫存過度等一系列矛盾，玉米產(chǎn)業(yè)面臨轉(zhuǎn)型。國內(nèi)對于作為原材料的低價玉米需求一直存在巨大缺口（毛爽等，2012），如何從根本上降低生產(chǎn)成本、降低價格、盤活產(chǎn)業(yè)成為了亟需考慮的問題。

生物技術應用使得玉米作為世界上技術成熟，種植面積最廣的主糧作物，由于具備優(yōu)良特性（抗除草劑、抗病蟲害、抗旱等），面對水土資源約束、氣候變化、糧食安全、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、能源供給等多方問題，有可能成為一個現(xiàn)實解決方案。尤其是東三省和內(nèi)蒙古已率先取消玉米臨儲政策，這意味著玉米價格將轉(zhuǎn)為主要由市場供需形成，玉米產(chǎn)業(yè)面臨重大結(jié)構(gòu)調(diào)整。面對市場環(huán)境，成本較低的良種玉米極具種植優(yōu)勢。一旦發(fā)展，可以在很大程度上實現(xiàn)原材料自給，抑制進口，利于國內(nèi)飼料、畜牧業(yè)、工業(yè)、藥用、能源乙醇等行業(yè)生存發(fā)展。

因此探討我國新品種玉米種植前景具有重要理論和現(xiàn)實意義。本文首先使用DNDC（DeNitrification-DeComposition，反硝化—分解作用）模型測度玉米新品種的增產(chǎn)效應，接著將得到的增產(chǎn)系數(shù)作為種子改良通技術作為外生沖擊，與CGE（Computable General Equilibrium Model，可計算一般均衡模型）進行軟連接（Soft Link），模擬全國范圍內(nèi)的新品種玉米商業(yè)化前景，分析其帶來的經(jīng)濟效應與資源環(huán)境方面影響。

二、 文獻綜述

關于生物技術商業(yè)化探討，之前大多研究針對單一市場種植的經(jīng)濟評估，例如趙芝俊等（2010）運用DREAM產(chǎn)業(yè)模型計算抗蟲玉米的經(jīng)濟影響。本文意圖考察種植新品種玉米對于上中下游以及整個經(jīng)濟體的影響，因此選用CGE模型。

有不少學者運用CGE模型研究與農(nóng)業(yè)相關的問題，大多聚焦在農(nóng)產(chǎn)品價格、貿(mào)易、糧食安全和政策評估方面（如樊明太，2005；周曙東，2009；夏伊利，2009；梁偉，2013；吳永民，2014；董瑩和穆月英，2015；劉亦文和胡宗義，2014/2015）。

本文將新品種玉米的增產(chǎn)效應作為切入點，而在產(chǎn)量變化百分比這一重要參數(shù)的設置上，一些研究采用的是假設值，如展進濤等（2015）假設轉(zhuǎn)基因水稻產(chǎn)出增長10%和15%，李喜明等（2013）假設玉米產(chǎn)量變動比例分別為5%，10%和15%。現(xiàn)實中增產(chǎn)是多方因素共同導致的復雜結(jié)果，可能由種植面積擴張、品種改良、增加生產(chǎn)資料投入等原因?qū)е?。本文聚焦種子從“傳統(tǒng)”到“新品種”這一因素變動導致的產(chǎn)量增長，采用DNDC模型，僅改變作物參數(shù)來計算對應的增產(chǎn)率。而DNDC作為一個成熟的模型，主要用于研究作物的碳、氮循環(huán)，為農(nóng)業(yè)技術層面提供研究支持（如楊黎等，2014；陳海心等，2014；張賽，2014）。

關于玉米技術進步，黃季焜和楊軍（2014）引入不同品種的新品種玉米，通過設置不同產(chǎn)量比例的情景來展現(xiàn)科技進步對中國玉米和相關農(nóng)產(chǎn)品的供需、價格乃至經(jīng)濟整體的影響。本文將更多的重點放在技術進步對于宏觀經(jīng)濟（不僅包括農(nóng)業(yè)，還包括第二、第三產(chǎn)業(yè)）、資源以及環(huán)境方面的影響。

由此可見，對于作物生物技術應用對于宏觀經(jīng)濟的作用，乃至資源節(jié)約和環(huán)境保護方面的影響，存在可探討的空間。本文以玉米為例，模擬在全國范圍內(nèi)進行不同程度的作物新品種替代，模擬其經(jīng)濟效應，并探討其種植是否對資源、環(huán)境產(chǎn)生了積極作用。

三、 基于DNDC模型的玉米生物技術增產(chǎn)效應測度

DNDC即Denitrification-Decomposition（即“反硝化-分解作用”）的縮寫，是基于農(nóng)業(yè)土壤中碳、氮元素的地球-化學變化規(guī)律的模型，由美國新罕布什爾大學（University of New Hampshire）李長生教授及其團隊研發(fā)。

DNDC數(shù)據(jù)庫將全國劃分成2 743個格點，每個格點都具備GIS數(shù)據(jù)（即地理信息系統(tǒng)）和氣象數(shù)據(jù)，目前最新數(shù)據(jù)庫對應2007年。作物通過三個特征參數(shù)來體現(xiàn)，即最大產(chǎn)量（Max Grain Yield C，kgC/ha）、生長積溫（TDD，℃）和需水量（Water Demand，千克水/千克干物質(zhì)）。中國目前只種植傳統(tǒng)玉米（參數(shù)依次為4 123、2 550、150），本文將美國實際的基因改良玉米種植參數(shù)（4 550、2 500、150）放入中國的土壤、氣候等條件狀況下運行模型。

本文對土壤參數(shù)取均值，并將全灌溉和零灌溉加權。省區(qū)產(chǎn)量計算公式為：

省區(qū)新品種玉米產(chǎn)量=全灌溉的新品種玉米產(chǎn)量*省區(qū)灌溉率+零灌溉的新品種玉米產(chǎn)量*（1-省區(qū)灌溉率）

省區(qū)傳統(tǒng)玉米產(chǎn)量=全灌溉的傳統(tǒng)玉米產(chǎn)量*省區(qū)灌溉率 + 零灌溉的傳統(tǒng)玉米產(chǎn)量*（1-省區(qū)灌溉率）

計算發(fā)現(xiàn)增產(chǎn)幅度地區(qū)差異較大，全國層面的增產(chǎn)均幅為4.87%。由于玉米廣泛種植，基數(shù)大，這個比例意味著很大的增量，會對整個國家的經(jīng)濟、資源、環(huán)境等方面將產(chǎn)生一系列影響：如價格、播種面積、生產(chǎn)資料、相關上、中、下游行業(yè)等變動。本文下一步將針對這些經(jīng)濟層面上的系統(tǒng)變化，通過CGE進行模擬與評估。

四、 新品種玉米種植影響的CGE模型

Computable General Equilibrium（CGE）Model即為可計算一般均衡模型，將瓦爾拉斯的一般均衡理論變?yōu)槊枋霈F(xiàn)實經(jīng)濟的模型（Dixon et al.， 1996），并成為可計算的數(shù)值模型，在國民經(jīng)濟、貿(mào)易、環(huán)境、財政、稅收以及公共政策等領域得到了廣泛應用。

本文采用的單國CGE模型覆蓋了58個行業(yè)（將原玉米（A03）拆解為兩個行業(yè)，分別為A03：傳統(tǒng)玉米，A04：新品種玉米，合計58），CGE模型結(jié)構(gòu)以翟凡等（1997）創(chuàng)建的中國經(jīng)濟CGE為基礎，對應方程可以分別歸入生產(chǎn)模塊、價格模塊、收入支出模塊、貿(mào)易模塊、和閉合模塊。

本文的數(shù)據(jù)基礎包括兩部分，即社會核算矩陣（Social Accounting Matrix，簡稱SAM表）和外生參數(shù)。SAM表為矩陣的形式，展示一個經(jīng)濟系統(tǒng)中的生產(chǎn)行為以及各主體行為之間的關系，對于CGE來說，AM表為模型中的內(nèi)生變量提供初始值，且模型中的許多參數(shù)必須利用SAM表中的數(shù)據(jù)予以標定。由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計口徑不同，所以往往無法直接匹配，需要進行平滑。數(shù)據(jù)平滑是依據(jù)D. Roland-Holstand 和 D. van der Mensbrugghe（2009）中應用的結(jié)構(gòu)，采用Robinson、Cattaneo 和 El-Said（2001）的CE（Cross Entropy，CE）方法，主要源于Kullback 和 Leibler（1951）提出的交叉熵值最小化概念。

平滑之后對變量與參數(shù)進行賦值，模型中CES生產(chǎn)函數(shù)的彈性值與進出口合成彈性主要參考了蔡松鋒（2011）。工資差別系數(shù)philj為《中國統(tǒng)計年鑒（2008）》“各地區(qū)按行業(yè)分城鎮(zhèn)單位就業(yè)人員平均勞動報酬”表中各行業(yè)平均工資除以整體平均工資的商值。土地和資本回報調(diào)整參數(shù)phikj、phidj的計算主要基于中國統(tǒng)計部門編制的投入產(chǎn)出表。

五、 新品種玉米種植在經(jīng)濟結(jié)構(gòu)以及資源環(huán)境上的作用仿真

運用上文構(gòu)建的玉米新品種CGE模型來模擬在國內(nèi)范圍內(nèi)種植不同比例傳統(tǒng)玉米的情景，并探討其對經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的效應，并著重分析資源環(huán)境方面的影響。

1. 情景設計。玉米替代是個漸進過程，新品種玉米對傳統(tǒng)玉米的替代比例分別設置為20%、40%、60%、80%和100%（完全替代）這五個情景。國內(nèi)的玉米消費包含兩塊，即生產(chǎn)過程的中間投入和居民直接消費。

2. 不同情景的模擬結(jié)果與分析。

（1）不同情景下國民經(jīng)濟的變動分析。CGE模擬結(jié)果顯示，隨著替代幅度的提升，GDP、三大產(chǎn)業(yè)增加值和社會福利都有逐步增長?？梢哉f，生物技術帶來的增產(chǎn)作用在經(jīng)濟運行中得到了擴散，有利于經(jīng)濟增長。而三大產(chǎn)業(yè)增速不一樣，主要因為：第一，玉米增產(chǎn)之后，耕地面積需求減少，土地資源會釋放出來種植其他作物，使得第一產(chǎn)業(yè)增長較快；第二，玉米種植過程中農(nóng)資用品使用的減少削弱了經(jīng)濟對于第二產(chǎn)業(yè)的依賴度，部分生產(chǎn)要素流入第三產(chǎn)業(yè)，使得第三產(chǎn)業(yè)增加較快。這種發(fā)展是可持續(xù)的，并且使得社會福利增速快于GDP，福利惠及廣大消費者。

（2）不同情景下能源生產(chǎn)的變動分析。本文測度了化石能源生產(chǎn)和使用的變化情況，并結(jié)合《中國能源統(tǒng)計年鑒》中的能源實物量數(shù)據(jù)和各類化石能源二氧化碳轉(zhuǎn)換系數(shù)計算了二氧化碳排放量變化。模擬結(jié)果表明：隨著新品種玉米種植比例的提升，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，從而對于能源的依賴度降低，主要能源品種的生產(chǎn)量均減少。鑒于化石能源我國產(chǎn)量巨大，即使是微小的減產(chǎn)比例，也能節(jié)約可觀的能源實物量。

（3）不同情景下能源消費的變動分析。模型還計算了不同情景下煤炭、石油和天然氣消費量的變動比率。結(jié)果表明，隨著新品種玉米種植比例的提升，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整而減少了經(jīng)濟體對能源需求的依賴，三種主要能源品的消費都得到了抑制。根據(jù)化石能源消耗節(jié)約量乘以對應的能源二氧化碳排放系數(shù)（秦昌波，2014），可以獲得二氧化碳減排量，在完全替代情景下，對我國煤炭需求減少30萬噸，石油7萬噸與天然氣0.146億立方米，且對于整體二氧化碳排放減少104.42萬噸。整體而言，新品種玉米的種植與投入生產(chǎn)，對于國家整體資源壓力緩解、溫室效應抑制、大氣質(zhì)量改善、與貫徹國家低碳發(fā)展理念皆具有積極作用。

六、 研究總結(jié)與政策建議

本文首先通過DNDC模型測度了新品種玉米的增產(chǎn)效應，接著將此增產(chǎn)沖擊引入CGE模型，通過多情景仿真探討了玉米的生物技術應用對經(jīng)濟發(fā)展，尤其是資源節(jié)約和環(huán)境保護的影響。取得的主要結(jié)論如下：

1. 玉米新品種種植會產(chǎn)生積極的增產(chǎn)作用，平均增產(chǎn)幅度大致為4.87%，不同省份差異較大。

2. 就CGE模擬結(jié)果來看，生物技術帶來的增產(chǎn)作用在經(jīng)濟運行中得到了有效擴散，促進了整體經(jīng)濟增長。三大產(chǎn)業(yè)的增速不一致，一、三產(chǎn)業(yè)增幅較快，這種結(jié)構(gòu)上的變遷是符合社會發(fā)展需要的，使得社會福利增速快于GDP，經(jīng)濟增長的利益惠及到了居民戶。

3. 經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的變遷降低了能源依賴度，從而節(jié)約了能源資源。盡管主要能源行業(yè)減產(chǎn)幅度很有限，但鑒于巨大的行業(yè)產(chǎn)量基數(shù)，節(jié)約量是十分可觀的。

4. 能源依賴度降低同樣表現(xiàn)在消費層面，有力地減少了二氧化碳排放量，能源絕對量的節(jié)約以及相應的二氧化碳排放量較為可觀，這對于緩解資源壓力、抑制溫室效應、改善大氣質(zhì)量、貫徹國家低碳發(fā)展理念產(chǎn)生了積極作用。

基于如上結(jié)論，考慮我國實際狀況，本文提出如下建議：在新品種增產(chǎn)效應較高的省份優(yōu)化推廣新品種玉米種植，提高當?shù)赜衩咨a(chǎn)的核心競爭力。在新品種玉米消費方面，政府可以先從非食用領域切入。玉米是重要的為工業(yè)原材料，若是用于制造清潔能源，可以進一步減少經(jīng)濟對于石油的依賴度，體現(xiàn)資源環(huán)境效益。在消費者層面，部分消費者生物技術應用認知存在誤區(qū)，需要政府著力去減少其中的信息不對稱問題，科普與宣傳是最為重要的渠道。

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基金項目：國家自然科學基金重點項目群之重點項目“氣候變化背景下低碳農(nóng)林業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略及政策研究：基于作用、潛力和成本效益的分析”（項目號：71333010）；國家自然科學基金項目“中國轉(zhuǎn)基因玉米商業(yè)化市場前景及其經(jīng)濟影響研究”（項目號：71573173）；上海交通大學博士后研究基金（項目號：14X100030025）。

作者簡介：于冷（1966-），男，漢族，吉林省長春市人，上海交通大學安泰經(jīng)濟與管理學院教授、博士生導師，研究方向為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟學；田謐（1986-），女，漢族，江蘇省昆山市人，上海交通大學安泰經(jīng)濟與管理學院博士生，研究方向為食品經(jīng)濟學；張尚美（1994-），女，漢族，陜西省西安市人，上海交通大學安泰經(jīng)濟與管理學院本科生，研究方向為金融學；趙子?。?984-），男，上海市人，上海交通大學安泰經(jīng)濟與管理學院博士后，研究方向為產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟學。

收稿日期：2016-11-11。